解读近期科学家们在合成生物学研究领域取得的最新进展！

合成生物学作为现代生物学与多学科系统融合发展而成的新兴交叉学科，是继“DNA双螺旋结构的发现”和“人类基因组计划“之后，以工程化手段设计合成基因组为标志的第三次生物技术革命。

本文中，小编整理了近期科学家们在合成生物学研究领域取得的重要进展，分享给大家！

【1】两篇Cell+5篇Cell子刊首次成功在实验室中制造出合成基因组超过50%的酵母菌株

doi：10.1016/j.cell.2023.09.025等

来自美国纽约大学等机构的科学家们将在实验室里制作的七条以上的合成染色体组合到一个酵母细胞中，得到了一种含有50%以上合成DNA的酵母菌株，它的存活和复制能力与野生酵母菌株相似。相关研究成果于2023年11月8日以7篇论文的形式发表，其中2篇发表在Cell期刊上。

这些论文展示了合成酵母基因组计划（Synthetic Yeast Genome Project）Sc2.0，即一个致力于从头开始开发首个合成真核生物基因组的全球联盟。这些作者如今合成并调试了全部十六条酵母染色体。曼彻斯特大学合成生物学家 Yizhi Cai 说，“我们的动机是通过构建合成基因组来了解基因组的基本原理。我们如今重写了酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的操作系统（即基因组），这开启了工程生物学的新纪元---从修补少量基因到从头设计和构建整个基因组。”

图片来源：Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.09.025

虽然此前已经合成了细菌和病毒基因组，但这将是第一个合成的真核生物基因组，它带来了多条染色体的复杂性。这种合成酵母也是一种“定制”基因组，与它所基于的天然酿酒酵母基因组有很大不同。Sc2.0 项目负责人、纽约大学朗格尼医学中心合成生物学家Jef Boeke说，“我们认为，生产出一种与自然设计有很大不同的东西非常重要。我们的首要目标是制造出一种能让我们学到新生物学知识的酵母。”

为此，这些作者移除了大块的非编码DNA和以前被视为“垃圾DNA”的重复序列元件，添加了新的DNA片段，以帮助他们更容易地区分合成基因和天然基因，并引入了一个名为 “SCRaMbLE”的内置多样性生成器，它可以改变染色体内部和染色体之间的基因顺序。

【2】Adv Sci：中国科学家开发出人工合成智能细菌，可时序控制污染物检测、降解并随后自杀

doi：10.1002/advs.202304318

近日，一篇发表在国际杂志Advanced Science上题为“An Intelligent Synthetic Bacterium for Chronological Toxicant Detection， Biodegradation， and Its Subsequent Suicide”的研究报告中，来自上海交通大学等机构的科学家们通过研究利用模块化的理念构建了一株人工合成智能细菌，在时序控制下不依赖外源诱导剂，完成水杨酸的检测、降解和菌株自毁。

环境污染的生物治理集中在三个方面：污染物的检测、降解以及菌株的生物安全保障，合成生物学的出现为解决这一系列问题提供了新思路，一批功能模块、综合工具箱和系统被设计出来。然而，功能弱化和分散的模块由于需要复杂的控制条件从而阻碍了合成生物学应用于环境污染的治理。

为了应对这一挑战，研究团队组装了一株三模块工程菌，它能够在6小时内检测水杨酸并输出一定量的荧光，随后在平台期早期开始将水杨酸降解为龙胆酸，最后在水杨酸耗尽时启动自杀回路。水杨酸，一种工业废水的典型污染物及多环芳烃降解的下游中心节点，被选作证明该设计的案例，所有任务被工程化菌株均在无外界干预的情况下按时间顺序完成。

【3】Nat Synthesis：中国科学家首次实现在酿酒酵母中从头合成植物激素茉莉素

doi：10.1038/s44160-023-00429-w

近日，一篇发表在国际杂志Nature Synthesis上题为“Engineering yeast for de novo synthesis of jasmonates”的研究报告中，来自中国科学院深圳先进技术研究院等机构的科学家们针对现阶段植物激素茉莉素在生产上面临的化学合成难度大、植物提取得率低等挑战，提出了在酿酒酵母中重构茉莉素的生物合成途径，建立微生物细胞工厂以实现高效和绿色生产，为茉莉素在农业及化妆品行业的规模化应用铺平道路。

合成生物学的发展使得天然产物的异源生产成为可能。自1962年从素馨花中首次发现并分离茉莉酸甲酯以来，科学家一直致力于茉莉素生物合成通路的解析，完整的合成途径在2012年问世。

茉莉素的生物合成通路

图片来源：Nature Synthesis （2023）doi：10.1038/s44160-023-00429-w

茉莉素在植物中的合成过程较为复杂，通路长，酶促类型多样，还涉及中间产物在不同细胞器间的转运：磷脂酶先将α-亚麻酸（α-LeA）从叶绿体膜上释放；α-LeA在叶绿体内，由多酶复合体催化形成12-氧代-植物二烯酸（OPDA）；OPDA在过氧化物酶体中，经过3轮β-氧化生成茉莉酸（JA）；JA在细胞质中被转化为下游衍生物茉莉酸甲酯（MeJA）、茉莉酸异亮氨酸（JA-Ile）等。

公认安全的酿酒酵母因含有多种细胞器，被该团队优先选择为茉莉素异源从头合成的微生物底盘。合成途径的复杂度为重构工作带来不少挑战，其中，在酵母中找寻适合中间体α-LeA和OPDA合成的场所，是途径重构首要解决的难题。

【4】Nat Plants：中国科学家完成首个多细胞植物染色体的部分设计与合成

doi：10.1038/s41477-023-01595-7

近日，一篇发表在国际杂志Nature Plants上题为“A designer synthetic chromosome fragment functions in moss”的研究报告中，来自北京大学生命科学学院等机构的科学家们通过研究重新设计了染色体序列，极度简化了基因组，对内源序列进行了大幅删减（55.8%），并加入了人工标签。该研究进一步合成并组装了设计序列，并在小立碗藓体内完成了约1/3染色体臂的替换。所获合成株系能够正常生长，合成区域的表观遗传景观也能够正常重新建立。

模式生物小立碗藓的再生效率高、单倍体世代占主导，且具有较高的同源重组能力。因此，研究团队选择了小立碗藓作为多细胞生物基因组合成的底盘，尝试合成基因较少的18号染色体短臂。

该研究选取了小立碗藓18号染色体上一段约155kb 的序列进行合成。采用的设计策略如图1所示。首先对基因组进行简化，删去重复序列，保留编码区以及上游和下游的序列。此外，所有终止密码子被替换成TAA，为以后密码子扩充做铺垫。设计还移动了部分基因的位置。在合成大片段的两侧（浅蓝色部分）具有与内源序列相同的1kb同源序列，用于体内重组替换。此外，合成序列中加入了抗性基因，用于筛选。通过重新设计，155kb的基因组片段被缩减至约68kb。

【5】Nat Nanotechnol：自下而上的合成细胞工程：构建未来生物技术的基石

doi：10.1038/s41565-024-01627-z

合成生物学，一门跨学科的科学领域，旨在重新设计和构造具有新功能的生物系统。这一概念最早可以追溯到20世纪80年代，当时Barbara Hobom首次使用“合成生物学”一词，描述了通过重组DNA技术创造的基因改造细菌。自那时起，合成生物学已经从一个概念性的起点，发展成为一个全球性的研究领域，对生物医学、农业、工业生产乃至能源转换等多个领域产生了深远的影响。

在这一发展过程中，合成生物学不仅推动了生物技术的创新，还促进了全球合作与知识共享。各种合成生物学相关的组织，如SynBio Alliance，成立了网络平台以促进研究成果的应用和技术创新。这些平台鼓励全球范围内的科研人员、工程师、以及政策制定者之间的协作，共同探索合成生物学的潜力和应用前景。自下而上的合成细胞研究是合成生物学中的一个重要分支，它专注于从最基本的分子组件开始，一步步构建出能够执行生命功能的人工细胞。这一研究方向的目标不仅仅是创造出模拟自然细胞的结构，更重要的是通过这个过程深入理解生命的本质。

随着纳米技术的快速发展，自下而上的合成细胞研究与纳米生物技术之间的联系日益紧密。纳米技术为合成细胞提供了精确操控分子和纳米尺度结构的可能，从而使得构建模拟自然细胞过程中的自组装、信号传导、物质转运等关键步骤成为可能。通过这种跨学科的融合，科研人员能够探索并实现更加复杂、功能丰富的人工生命系统。

【6】Cell：首次成功重建酵母的脂肪酸生物合成循环

doi：10.1016/j.cell.2023.10.009

人类通常从饮食中摄取所需的大部分脂肪酸。尽管如此，脂肪酸的生物合成仍然是一个重要的代谢途径。对于酵母和细菌来说，它甚至是不可或缺的。在酵母和高等生物中，由不同酶组成的大型多聚体复合物催化脂肪酸的生物合成，而细菌中的对应物则由单个蛋白代表。虽然脂肪酸生物合成分子机器的结构在不同有机体内有很大差异，但是催化的反应和单个酶模块彼此相似。

近日，一篇发表在国际杂志Cell上题为“Reconstruction of a fatty acid synthesis cycle from acyl carrier protein and cofactor structural snapshots”的研究报告中，来自德国马克斯普朗克多学科科学研究所等机构的科学家们通过研究首次以前所未有的分辨率（1.9埃米）解析了酵母脂肪酸合酶（fatty acid synthase， FAS）的三维结构。

图片来源：Cell, 2023, doi:10.1016/j.cell.2023.10.009

研究者解释道，在结构生物学中，超越2埃米的屏障对于理解细胞化学至关重要。我们揭示了酵母FAS 的最内部，可以观察到酶反应以及蛋白如何与小分子相互作用的化学细节。”生物化学与高分辨率低温电镜的结合是这些作者取得成功的关键。在实验中，他们使用了世界上分辨率最高的电子显微镜，它能够分辨蛋白中的单个原子。

然而，仅以高精度观察酵母FAS 还不足以了解它的功能。与人类FAS类似，真菌 FAS 也是通过使用确定的化学前体分子，以循环、重复的方式在七个单独的反应步骤中合成脂肪酸。每个单独的化学步骤都由 FAS 内部的一个独立酶模块完成。因此，不断生长的脂肪酸链必须以高效、有序的顺序从一个酶模块传送到另一个酶模块。分子穿梭机---所谓的酰基载体蛋白（acyl carrier protein， ACP）---执行着这一重要任务，并协调着脂肪酸生物合成所需的化学反应的编排。

【7】Science：寿命延长82%，合成生物学重新编程细胞衰老过程

doi:10.1126/science.add763

衰老，是一个复杂、多阶段、渐进的过程，发生在生命的整个过程。随着时间的流逝，人体的器官、肌肉会逐渐衰老，一些疾病也伴随着年龄的增长而发生，包括癌症、糖尿病、心血管疾病等。人的寿命与构成我们的单个细胞的衰老有关，早在2020年，加州大学圣地亚哥分校的研究人员就解开了衰老的关键机制，一些细胞随着DNA稳定性的逐渐下降而衰老，另一些细胞的衰老是由于线粒体功能障碍所致。

在确定细胞在衰老过程中遵循的两个不同路径后，研究人员通过基因编程这些过程来延长细胞的寿命。近日，他们在Science杂志上发表了一篇题为" Engineering longevity-design of a synthetic gene oscillator to slow cellular aging "的研究论文。该研究显示，通过合成生物学重新编程细胞衰老的过程，在酵母细胞内设计了一个合成基因振荡器，与正常衰老的酵母细胞相比，寿命延长了82%，这一发现有朝一日可能会促成合成基因回路的设计，从而促进更复杂的生物体长寿。

在该研究中，研究人员对控制细胞衰老的电路进行了基因重组，从它像拨动开关一样的正常作用来看，他们设计了一个负反馈回路来阻止老化过程。重新布线的电路作为一种被称为基因振荡器的类似时钟的设备运行，它驱动细胞在两种有害的“衰老”状态之间周期性切换，避免长期处于其中一种状态，从而减缓细胞的退化。

【8】Med：中国科学家提出移植免疫学与合成生物学及材料学交叉融合新策略

doi：10.1016/j.medj.2023.05.002

移植术后免疫调控，特别是免疫抑制剂的使用是减少实体器官移植术后移植物丢失和降低患者死亡率的关键。传统的免疫抑制方案以钙调磷酸酶抑制剂（CNI）为中心，主要作用于效应T细胞，忽视了复杂免疫调节网络中的其余组分。近年来，前沿研究已开始利用最新的合成生物学理念与材料技术，实现对移植术后免疫稳态重塑的精准调控，这些进展有望覆盖实体器官移植的全过程，提高移植科学的整体水平。

近日，一篇发表在Cell子刊Med上题为：A new paradigm in transplant immunology： At the crossroad of synthetic biology and biomaterials 的长篇综述文章中，来自上海交通大学等机构的科学家们系统性梳理了合成生物学及生物材料在实体器官移植中的应用，同时创新性提出移植免疫学如何与合成生物学及材料学交叉融合，从而增加供体器官来源、改良器官保存技术、优化免疫监测与免疫调控策略以及开发新型细胞基因疗法。

论文作者提出该领域的转化应用策略，一是增加移植物来源，并通过人工合成及编辑技术最大限度减少免疫排斥；二是优化器官保存技术以减少供体器官的缺血再灌注损伤；三是应用合成生物学及材料学技术开发术后早期调节免疫应答的精准方法。最后，论文作者还指明了该领域未来的研究方向与临床应用中的潜在挑战。

【9】Cell Sys：中国科学家实现合成生物学赋能的接枝反应

doi：10.1016/j.cels.2024.02.003

近日，一篇发表在国际杂志Cell Systems上题为“Engineering Functional Materials through Bacteria-assisted Living Grafting”的研究报告中，来自中国科学院深圳先进技术研究院等机构的科学家们借鉴化学接枝反应的策略，通过合成生物学手段编程微生物，实现了功能蛋白的持续生产与原位接枝，赋予了材料多样的生物学功能。

MELG的模块、系统及下游应用活体接枝材料消除错配DNA

图片来源：Cell Systems（2024）doi：10.1016/j.cels.2024.02.003

研究者表示，在传统化学接枝反应中，虽可实现大分子或其表面的功能化修饰，但赋予的性质往往受限于亲疏水性、pH值、温度敏感性等物理化学属性，缺乏生物学功能（例如结合错配DNA等）。相较之下，该研究借鉴了植物嫁接中供体植物可生长并提供多个接穗的理念，通过调控工程细菌持续的生长及释放功能蛋白模块，增强了接枝反应的稳定性和自我修复能力，获得了一系列动态可调、可再生的生物功能。

研究团队通过聚合物支架封装了工程细菌，支架内含有大约20微米的带有活性接枝位点的微粒；这些经过基因线路调控的微生物能够在支架内生长，感知到自我密度，并自主裂解释放特定的功能蛋白；携带标签的目标蛋白能够有效地接枝至支架内的活性位点，从而组装为MELG（Materials Engineered by Living Grafting）。系统具备高度的模块化特性：提供蛋白模块的底盘细胞、可定制的基因线路、多种功能蛋白模块以及接枝化学反应，所有这些都可以灵活调节。得益于活体微生物可源源不断的提供接枝蛋白，这套系统展现出对外部干扰的高度稳定性和可再生能力。

在此基础上，团队进一步开发了多种功能性MELG：如能够响应生物信号进行蛋白质的可控释放、合成高值化学品橄榄醇酸，以及修正错配的DNA序列。

【10】Cell：合成生物学的新前沿：对抗突变占主导地位的新策略

doi：10.1016/j.cell.2024.01.024

在多细胞生物中，细胞分化的作用至关重要，因为它赋予了细胞承担特定生理功能的能力。然而，这一分化过程易受突变细胞影响，尤其是那些无法正常分化的突变细胞，它们凭借过度的自我更新优势，往往会破坏正常的分化进程。这种被称为“突变夺取”(mutant takeover)的过程，不仅威胁到生物体的整体适应性，而且在合成生物系统中也是一个主要的挑战，尤其是在设计用于生产多种细胞类型的系统时。

近日，一篇发表在国际杂志Cell上题为“A synthetic differentiation circuit in Escherichia coli for suppressing mutant takeover”的研究报告中，来自Weizmann研究所等机构的科学家们在大肠杆菌中工程化了一个合成分化回路(synthetic differentiation circuit)，通过双相适应策略(biphasic fitness strategy)对抗这些突变体。该回路通过可调节的方式产生类似于干细胞(stem)、前体细胞(progenitor)和分化细胞(differentiated cells)的合成类似物。关键的创新点在于，它通过将分化与一种必要酶的生产相耦合，来使非分化突变体处于劣势。这一策略不仅选择了并维持了正向的分化率，而且惊人的是，这一分化率在广泛变化的生长条件下保持不变。

通过对快速生长的前体细胞(transit-amplifying cells)的研究，这项工作提供了关于分化稳定性的新见解，并展示了一种强大的方法，用于工程化进化稳定的多细胞共生体(multicellular consortia)。这项研究不仅为合成生物学领域提供了新的工具和策略，而且也为理解自然生物系统中细胞分化和进化稳定性提供了宝贵的视角。

该研究的亮点在于合成分化回路设计：研究者成功在大肠杆菌(Escherichia coli)中设计了一个合成的分化回路(synthetic differentiation circuit)，这一回路能够模仿干细胞(stem cells)、前体细胞(progenitors)和分化细胞(differentiated cells)的生产。这一设计不仅为合成生物学提供了新的工具，也为理解自然界中的细胞分化提供了有力的模型。（生物谷Bioon.com）

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